第5章 液体与固体介质的电气特性

1、高电压工程基础高电压工程基础施围 邱毓昌 张乔根（西安交通大学）编著刘青（西安科技大学）制作第第5 5章章 液体和固体介质的电气特性液体和固体介质的电气特性5.1 电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗5.2 液体介质的击穿液体介质的击穿5.3 固体介质的击穿固体介质的击穿5.4 组合绝缘的特性组合绝缘的特性5.5 绝缘的老化绝缘的老化高电压工程基础5.1 电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗5.1.1 电介质的极化电介质的极化1. 介电常数、相对介电常数介电常数、相对介电常数平行平板电容器在真空中的电容量为当极板间插入固体介质后，电容量为式中 A极板面积，cm2； d极

2、间距离，cm；介质的介电常数 0真空的介电常数，0=8.8610-14F/cm定义 为介质的相对介电常数。 00ACdACdr00CC高电压工程基础2. 极化极化 概念：在外加电场的作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，即极板上电荷增多，因而使电容量增大。 分类：高电压工程基础电子式极化离子式极化偶极子极化界面极化无损极化无损极化有损极化有损极化（1）电子式极化）电子式极化存在于一切物质中；极化所需的时间极短，约10-15s ；具有弹性，没有损耗；温度对电子式极化影响不大。（2）离子式极化）离子式极化弹性极化；极化过程所需的时间很短，约10-

3、13s；温度对此极化存在一定影响，r一般具有正的温度系数。（3）偶极子极化）偶极子极化转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s10-2s；r在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变得强烈时，r又随温度上升而减小。 高电压工程基础高电压工程基础材料类别名称r（工频，20）气体介质 空气（大气压）1.00059液体介质弱极性 变压器油硅有机液体2.22.52.22.8 极性蓖麻油4.5强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚乙烯2.02.52.252.35极性聚氯乙烯3.24离子性云母电瓷575.56.55.1.2 电介质的电导电介质的电导 电介质电导主要是离子电导，

4、表征电导的参数是电导率，在高电压工程中一般常用电阻率来表征介质的绝缘电阻。液体与固体电介质的电导率与温度有下述关系：式中 A常数，与介质性质有关； T热力学温度，单位为K； 电导活化能； k波尔兹曼常数。 高电压工程基础ekTA1. 体积电阻体积电阻 体积电阻率为： 体积电导率为： 其中， d（cm）为电介质厚度， S（cm2）为电极表面积。体积电阻的测量电路高电压工程基础vvSRdvvvv11 ddGR SS2. 表面电阻表面电阻 表面电阻率为： 表面电导率为： 其中， d（cm）为电介质厚度， l（cm）为电极长度。sslRdssss11 ddGR ll表面电阻的测量电路高电压工程基础5.

5、1.3 电介质的能量损耗电介质的能量损耗高电压工程基础 电介质的能量损耗简称介质损耗，包括由电导引起的损耗和由极化引起的损耗。 介质损耗为：2tantanPQUC P值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切tan来判断介质的品质。 对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。 高电压工程基础 有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起，常用串联等值电路。 R反映电导损耗 C0反映电子式和离子式极化C，r支路反映吸收电流（1）气体介质

6、的损耗）气体介质的损耗高电压工程基础 当电场强度不足以产生碰撞电离时，气体中的损耗是由电导引起的，损耗极小（tan U2 U3 发热曲线3与散热曲线有两个交点，即热平衡点Ta和Tc。 Ta稳定， Tc不稳定 曲线2与曲线4相切，只有一个热平衡点Tb，但不稳定。U2是临界热击穿电压，Tc则是热击穿的临界温度 根本不存在热平衡点，必然发生热击穿 高电压工程基础5.3.3 电化学击穿电化学击穿 对绝缘施加电压几个月甚至几年后，击穿场强仍在下降，这是由于介质长期加电压引起介质劣化。绝缘劣化的主要原因往往是介质内气隙的局部放电造成的。 介质中可长期存在局部放电而并不击穿。局部放电产生的活性气体如O3，N

7、O，NO2等对介质将产生氧化和腐蚀作用，此外由于带电粒子对介质表面的撞击，也会使介质受到机械的损伤和局部的过热，导致介质的劣化。 高电压工程基础空气隙的电容 与气隙串联的介质电容 绝缘完好部分的电容 CmCgCb 局部放电的等效电路 高电压工程基础电极间加上瞬时值为u的交流电压时，Cg上的电压瞬时值ug为: bggbCuuCC气隙的放电电压 气隙的放电熄灭电压 高电压工程基础真实放电量：mbrggrgbgrmb()()()C CqCUUCCUUCC视在放电量：bgmbgC CqU CCC 不可测量brgbCqqCC 真实放电量与视在放电量关系：单次局部放电的能量：i12WqU（Ui 为气泡放电

8、时试品上的电压）高电压工程基础5.4 组合绝缘的特性组合绝缘的特性5.4.1 油屏障绝缘与油纸绝缘的特点油屏障绝缘与油纸绝缘的特点 油: 主要绝缘介质，因为有很好的冷却作用。屏障: 改善油间隙中电场分布和阻止杂质小桥的形成。 粘浸渍电缆 充油电缆 油纸绝缘的直流击穿场强比交流击穿场强高得多因为直流电压作用下油与纸的场强分配比交流时合理 高电压工程基础5.4.2 油屏障绝缘与油纸绝缘的特点油屏障绝缘与油纸绝缘的特点 （1）介质界面与等位面重合的情况 在极间绝缘距离d=d1+ d2不变的情况下，增大2 时使E2减小，但却使E1增大。 （2）介质界面与电极表面斜交的情况高电压工程基础介质2介质1在介质2中发生折射 t11n1n21t22n12n2tantanEEEEEE高电压工程基础P点处等位面受到压缩，使这一点的场强大大增加，在绝缘设计时对这一现象必须加以注意！高电压工程基础5.4.3 电场调整的方法电场调整的方法 采用分阶绝缘的电力电缆12n，且1r1=2r2=nrn=常数。离缆芯较远的介质层也能得到充分的利用，因此可使电缆尺寸缩小。 GIS中的环氧盘形支撑绝缘子 高电压工程基础采用等厚度的盘形支撑绝缘子时，沿面电位分